V8中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

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所属分类:Web前端
摘要

接上一篇掘金 V8 中的快慢属性,本篇分析V8 中的快慢数组,了解数组全填充还是带孔、快慢数组、快慢转化、动态扩缩容等等。其实很多语言底层都采用类似的处理方式,比如:Golang中切片的append操作就涉及扩容处理。


接上一篇掘金 V8 中的快慢属性,本篇分析V8 中的快慢数组,了解数组全填充还是带孔、快慢数组、快慢转化、动态扩缩容等等。其实很多语言底层都采用类似的处理方式,比如:Golang中切片的append操作就涉及扩容处理。

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1、全填充 or 带孔

通过一个小李子,看一下什么是全填充数组(Paked-Array),什么是带孔数组(Holey-Array)

前面还写了稀疏数组,稀疏数组更加具有业务应用性,清洗的是无意义的数据,可以对比带孔数组来分析一下,有兴趣请看掘金👉 稀疏数组——实现五子棋存盘和续上盘功能

const o = ['a', 'b', 'c'] console.log(o[1])          // 'b'  delete o[1] console.log(o[1])          // undefined o.__proto__ = { 1: 'B' } console.log(o[0])          // 'a' console.log(o[1])          // 'B'   但如何确定要访问原型链??🤔 console.log(o[2])          // 'c' console.log(o[3])          // undefined 

如果一个数组中所有位置均有值,我们称之为全填充Packed)数组;

若某些位置在初始化时未定义(如 const arr = [1, , 3] 中的 arr[1]),或定义后被删除(delete,如上述例子),称之为带孔Holey)数组。

该例子在 V8 的访问可以通过下图解释:

V8中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

一开始数组 o 是 packed 的,所以访问 o[1] 时可以直接获取值,而不需要访问原型。

而行 4:delete o[1] 为数组引入了一个孔洞(the_hole),用于标记不存在的属性,同时又行 6 为 o 定义了原型上的 1 属性,当再次获取 o[1] 时会穿孔进而继续往原型链上查询。原型链上的查询是昂贵的,可以根据是否有 the_hole 来降低这部分查询开销

V8中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

2、快慢数组

const arr = [1, 2, 3] arr[1999] = 1999 // arr 会如何存储? 

这个例子中,在行 1 声明完毕后 arr 是一个全填充的数组,但在行 2 马上又定义索引 1999 处值为 1999,此时如果为 arr 创建一个长度为 2000 的完整数组来存储这样的稀疏数据将会非常占用内存,为了应对这种情况,V8 会将数组降级为慢数组,创建一个字典来存储「键、值、描述符」key、value、descriptor) 三元组。这就是 Object.defineProperty(object, key, descriptor) API 同样会做的事情。

  1. 鉴于我们没有办法在 JavaScript 的 API 层面让 V8 找到 HiddenClass 并存储对应的 descriptor 信息,所以当使用 Object.defineProperty 自定义 key、value、descriptor 时,V8 都会使用慢属性,对应到数组中就是慢数组。

  2. Object.defineProperty 是 Vue 2 的核心 API,当对象或数组很庞大时,不可避免地导致访问速度下降,这是底层原理决定的。

那究竟什么是快数组和慢数组呢?我们看下V8底层对于数组的定义:👉 源代码:v8/src/objects/js-array.h

V8中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

  • 快模式:数组实现的是 V8 里一个叫 FixedArray 的类,它在内存中是连续的空间,直接通过索引读写值,非常快。如果有 push 或 pop 操作,它会动态地扩容或收缩。

  • 慢模式:如前文所介绍,V8 创建了一个字典(HashTable)来记录映射关系,其中索引的整数值即是字典的键。

为什么数组也是对象类型的?

在 V8 源码中清晰地表明,JSArray 继承自 JSObject,即数组是一个特殊的对象,而 JS 中所有非原始类型都是对象的实例,所以 JS 中数组可以存储多种类型的值。

数组内部也是用key-value的存储形式

const testArr = [1, "hello", true, function () {   return 1; }]; 

V8中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

2.1、快数组何时转换为慢数组

(1)、看一下源码先👇

  1. path:v8/src/objects/js-objects-inl.h

    快慢模式转化: ShouldConvertToSlowElements

// path:v8/src/objects/js-objects-inl.h  // If the fast-case backing storage takes up much more memory than a dictionary // backing storage would, the object should have slow elements. // static static inline bool ShouldConvertToSlowElements(uint32_t used_elements,                                                uint32_t new_capacity) {   uint32_t size_threshold = NumberDictionary::kPreferFastElementsSizeFactor *                             NumberDictionary::ComputeCapacity(used_elements) *                             NumberDictionary::kEntrySize;   return size_threshold <= new_capacity; }  static inline bool ShouldConvertToSlowElements(JSObject object,                                                uint32_t capacity,                                                uint32_t index,                                                uint32_t* new_capacity) {   STATIC_ASSERT(JSObject::kMaxUncheckedOldFastElementsLength <=                 JSObject::kMaxUncheckedFastElementsLength);   if (index < capacity) {     *new_capacity = capacity;     return false;   }   if (index - capacity >= JSObject::kMaxGap) return true;   *new_capacity = JSObject::NewElementsCapacity(index + 1);   DCHECK_LT(index, *new_capacity);   if (*new_capacity <= JSObject::kMaxUncheckedOldFastElementsLength ||       (*new_capacity <= JSObject::kMaxUncheckedFastElementsLength &&        ObjectInYoungGeneration(object))) {     return false;   }   return ShouldConvertToSlowElements(object.GetFastElementsUsage(),                                      *new_capacity); } 

(2)、分析

  • 如果快数组扩容后的容量是原来的 3 倍以上,意味着它比 HashTable 形式存储占用更大的内存,快数组会转换为慢数组

  • 如果快数组新增的索引与原来最大索引的差值大于 1024,快数组会被转换会慢数组

所以,前面的例子:

const arr = [1, 2, 3]; arr[1999] = 1999; %DebugPrint(arr); 

1999 - 2 > 1024,arr 从快数组转换为哈希形式存储的慢数组。

下面看一下详细运行信息👇

  • 修改arr之前:

V8中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

  • 修改arr之后:
    V8中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

2.2、慢数组何时转换为快数组

(1)、看一下源码先👇

  1. path:v8/src/objects/js-objects.cc
// path:v8/src/objects/js-objects.cc  // line:4932 static bool ShouldConvertToFastElements(JSObject object,                                         NumberDictionary dictionary,                                         uint32_t index,                                         uint32_t* new_capacity) {   // If properties with non-standard attributes or accessors were added, we   // cannot go back to fast elements.   if (dictionary.requires_slow_elements()) return false;    // Adding a property with this index will require slow elements.   if (index >= static_cast<uint32_t>(Smi::kMaxValue)) return false;    if (object.IsJSArray()) {     Object length = JSArray::cast(object).length();     if (!length.IsSmi()) return false;     *new_capacity = static_cast<uint32_t>(Smi::ToInt(length));   } else if (object.IsJSArgumentsObject()) {     return false;   } else {     *new_capacity = dictionary.max_number_key() + 1;   }   *new_capacity = std::max(index + 1, *new_capacity);    uint32_t dictionary_size = static_cast<uint32_t>(dictionary.Capacity()) *                              NumberDictionary::kEntrySize;    // 看这里👇, 当慢数组转换成快数组能节省 不少于 50% 的空间时,才会将其转换   // Turn fast if the dictionary only saves 50% space.   return 2 * dictionary_size >= *new_capacity; } 

(2)、分析

元素能存放在快数组中并且长度不在smi之间(64位-231到232-1),并且当前慢数组空间相比快数组节省值小于等于50%,则转变成为快数组。

快慢转换总结

  • 快数组就是以空间换时间的方式,申请了大块连续内存,提高了执行效率。

  • 慢数组以时间换空间,不必申请连续的空间,节省了内存,但需要付出效率变差的代价。

3、动态扩容与收缩

3.1、扩容

看下源码👇

  1. path:v8/src/objects/js-array.h

    空数组预分配的大小: 4

// path:v8/src/objects/js-array.h  // Dispatched behavior. DECL_PRINTER(JSArray) DECL_VERIFIER(JSArray)  // Number of element slots to pre-allocate for an empty array. // 空数组预分配的大小为4 static const int kPreallocatedArrayElements = 4;  static const int kLengthDescriptorIndex = 0; 

上面代码表明,当声明一个空数组时,已预分配好 4 个字节的存储空间。

所以 [] 与 [1, 2, 3, 4] 占用一样多的内存。 前面说过,JSArray 继承自 JSObject,我们可以在 js-objects.h 中找到如下代码:

  1. path:v8/src/objects/js-objects.h

    扩容公式

// path:v8/src/objects/js-objects.h  // line:551👇 static const uint32_t kMinAddedElementsCapacity = 16;  // Computes the new capacity when expanding the elements of a JSObject. static uint32_t NewElementsCapacity(uint32_t old_capacity) {   // (old_capacity + 50%) + kMinAddedElementsCapacity   // 扩容公式:原有内存容量(1.5倍)+ 16   return old_capacity + (old_capacity >> 1) + kMinAddedElementsCapacity; } 

这是对 JSObject elements 扩容和对 JSArray 扩容的通用方法。扩容后容量的计算逻辑是:在原占用空间 old_capacity 的基础上增加一半(old_capacity >> 1 右移 1 位表示除 2,再相加得原空间 1.5 倍),再加上 16

举例:

const arr = [1, 2, 3, 4]; arr.push(5); %DebugPrint(arr); 
  • arr.push 之前:
    V8中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

  • arr.push 后:

V8中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

具体分析如下:
👇

  1. 向数组 [1, 2, 3, 4] push 5 时,首先判断到当前容量已满,需要计算新容量。

  2. old_capacity = 4,new_capacity = 4 + 4 >> 1 + 16 = 22,得出 [1, 2, 3, 4, 5] 的容量为 22 个字节,

  3. V8 向操作系统申请一块连续大小为 22 字节的内存空间,随后将老数据一一 copy,再新将新增元素写入。

3.2 缩容

紧接着,我们在 src/objects/elements.cc 中找到 SetLengthImpl 方法中的如下代码:

// path:src/objects/elements.cc  // line:750 if (2 * length + JSObject::kMinAddedElementsCapacity <= capacity) {   // If more than half the elements won't be used, trim the array.   // Do not trim from short arrays to prevent frequent trimming on   // repeated pop operations.   // Leave some space to allow for subsequent push operations.   int elements_to_trim = length + 1 == old_length                              ? (capacity - length) / 2                              : capacity - length;   isolate->heap()->RightTrimFixedArray(*backing_store, elements_to_trim);   // Fill the non-trimmed elements with holes.   BackingStore::cast(*backing_store)       .FillWithHoles(length,                      std::min(old_length, capacity - elements_to_trim)); } else {   // Otherwise, fill the unused tail with holes.   BackingStore::cast(*backing_store).FillWithHoles(length, old_length); } 

当数组元素减少(如 pop)后,如果数组容量大于等于 length 的 2 倍,则进行容量调整,使用 RightTrimFixedArray 函数,计算出需要释放的空间大小,做好标记,等待 GC 回收;如果数组容量小于 length 的 2 倍,则用 holes 对象填充。

总结:

  1. 数组元素少的时候是线性结构存储(FixedArray)的,内存地址连续,查找速度快,可以动态扩缩容;

  2. 数组元素多的时候转化为慢数组,通过创建了一个字典来记录映射关系,内存不连续,通过大名鼎鼎的Object.defineProperty(object, key, descriptor)创建

js的数组看似不同,其实只是V8 在底层实现上做了一层封装,使用两种数据结构实现数组,并且通过时间和空间2个纬度的取舍,优化了数组的性能。

参考学习博客


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